特　　集

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特集 ハイブリッド電気自動車 (HEV) の ATF を用いたモータ冷却構造の熱解析 *Heat Analysis of the Hybrid Electric Vehicle (HEV) Motor Cooling Structure Using ATF

鬼 丸 貞 久 松 井 啓 仁 田 口 知 成 大 高 健 二Sadahisa ONIMARU Hirohito MATUI Tomonari TAGUCHI Kenji ODAKA

市 岡 英 二 水 谷 竜 彦Eiji ICHIOKA Tatuhiko MIZUTANI

Recent hybrid electric vehicles (HEV) are provided with a motor cooling structure that uses automatic

transmission fluid (ATF) for lubrication in the motor to improve cooling performance, as the authors of this paper

previously proposed. We closely analyzed the heat flow in a motor that used ATF for cooling, by measuring the

temperature at many points in the motor and evaluating a section of the motor under operating conditions, and

successfully established that ATF improves motor cooling performance.

Key words: Hybrid vehicle, Electric motor, Cooling, ATF, Coil end, Stator, Heart resistance

＊（社）自動車技術会の了解を得て, “Review of Automotive Engineering Vol. 28 No.2 April 2007”より, 和訳・一部加筆して転載

１．緒言

　近年, CO2 排出量低減, 地球温暖化防止の観点から自

動車に対する燃費の向上が求められている. それに対

する技術として内燃機関と電気モータを組み合わせた

ハイブリッドシステムが注目されており, 1997 年にハ

イブリッド電気自動車（Hybrid Electric Vehicle 以下

HEV）が世界で始めて量産化された. 一方 HEV は, 低

燃費や環境性能だけでなく自動車の魅力のひとつであ

る「走る楽しさ」の一層の向上が求められ， それに伴っ

て車両駆動用モータの高出力化が必要となっている．

　モータの高出力化のためにはモータ本体の電機設計

やモータ制御・電気システムの改良とともに, 出力向

上に伴う発熱量増加に対応するための冷却性能の向上

が大きな課題となる. そこで冷却性能向上方法として，

筆者らは動力伝達部と軸受を潤滑する ATF（Automatic

Transmission Fluid）をモータ冷却に利用することで

飛躍的に冷却性能を向上する方法を考案した. この冷

却性能向上法を用いることでモータを大幅に高出力

化したハイブリッドシステムが新たに開発され, SUV

（Sports Utility Vehicle）などの高性能 HEV に用いられ

ている．

　本研究では, ベンチ評価によって求めたモータ内の

温度計測とモータ内の各部熱特性を模擬する部分モデ

ル評価結果からモータ内の熱流れを解析することで，

ATF を用いた冷却性能向上法の効果を明らかにしたの

で, その結果について報告する．

２．モータ冷却方法

　2.1　冷却システム構成

　本研究において対象とする HEV の冷却系の概要を

Fig. 1 に示す. HEV 機器（モータ， 発電機， インバータ）

の冷却は, エンジン冷却系とは別に専用ラジエータを

備えた水冷却系で行われている. 冷却水にはエンジン

冷却水と同様 LLC（Long Life Coolant）を用いる. 専用

ラジエータで冷却された冷却水は電動ポンプによって

インバータ , 発電機 , モータの水冷ジャケットに流れ

専用ラジエータに戻る. 専用ラジエータはエンジン用

ラジエータと共に車両前部吸気口に置かれている．

Fig. 1 Cooling system of hybrid electric vehicle

Electric water pump Inverter

Water jacket

MotorGenerator

Engine

Radiator(For electrical equipment)

Cooling water

Cooling water

Condenser(For A/C)

Air

Radiator(For engine)

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デンソーテクニカルレビュー　Vol. 13　No. １　2008

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　2.2　モータ冷却構造

　Fig. 2 に ATF を利用したモータの冷却構造を示す.1)2)

モータはロータ・ステータ・ケースで構成され, 巻き

線には分布巻きが用いられている. モータのケースは

動力伝達部（動力分配機構, モータリダクション機構,

ディファレンシャルギヤ等からなる）のケースと一体

に構成されている. ケースの一部には水冷ジャケット

が設けられ前述の専用冷却系から送られる LLC で冷却

される. モータと動力伝達部の中には潤滑用の ATF が

封入されている. モータ下部に溜まった ATF はモータ

端面に設けられたオイルポンプによって汲み上げられ,

モータ駆動軸内を通って動力伝達部へ送られる. この

ATF の一部がモータ軸受に供給され潤滑に用いられ

る. 動力伝達部内に溜まった ATF はディファレンシャ

ルギヤのリングギヤで掻き揚げられ動力伝達部ケース

上部に設けたキャッチタンクに送られる. キャッチタ

ンクに送られた ATF は動力伝達部の潤滑に用いられ

ると共に, その一部がモータケースに設けた二つの連

通口を通ってステータのコイルエンド部に供給される.

同時に ATF の一部がステータとケース間の隙間に浸

透する. このとき, 次の二つの働きによってモータの発

熱が効率的にケースに伝わり冷却性能が向上する.

（a）ステータ～ケース間の隙間に ATF が浸透し空気

と入れ替わることで, その間の熱抵抗が低減しス

テータの発熱が効率的にケースに伝わる．

（b）ATF がコイルエンドにかかることでコイルエン

ドの熱が ATF に移り, 更に ATF がケースに接触す

ることで熱がケースに伝わる．

３．解析の進め方

　モータ内の熱流れ解析モデルを作成することで（a）

と（b）の二つの働きの効果を明確化する. 作成する熱

解析モデルの全体構成を Fig. 3 に示す. モータのステー

タ, ケースを分割して各部を接点（集中定数）で表

し, 接点間を熱抵抗で結んでモデル化したものである.

モータの発熱部位はコイルエンドとステータ内のコイ

ル（銅損で発熱）とステータの鉄心（鉄損で発熱）に

分けられる. ここでは, コイルエンドを周方向に８分割,

ステータ内のコイルと鉄心をそれぞれ軸方向に３分割,

周方向に８分割, ケースは外周部を軸方向に５分割, 周

方向に８分割, ケース端面を周方向に８分割している.

水冷ジャケットがある場所に相当する接点は LLC へ放

熱し, それ以外は空気へ放熱するとした. また, コイル

エンド部に ATF を供給することによる効果を表すた

めコイルエンド端部から ATF へ放熱する接点を設け

た. なお, 一般に分布巻きモータはステータに比べロー

タの発熱量は小さいため, 今回はステータとケースの

みをモデル化しロータは省略している．

　各接点間の熱抵抗はモータ内部の温度分布計測結果

ATF is filled between

the stator and the case.

ATF is supplied to

the coil end.

Oil slinging by gear

ATF

Motor

Oil hole

Catch tank

Catch tank

Gear

Gear train

Power split device Reduction device etc.

ATFATF flow

Oil pump

Motor

Case

Stator

Coil end

Rotor

Cooling waterWater jacket

Fig. 2 Motor cooling system of hybrid electric vehicle to use ATF

Heart resistance

Case (End)

ATF

ATF

Air AirPoint

Cooling waterCase (Side)

Case (Side)

Case (End)

Coil endCoil end

Coil Iron-core

Stator

Stator

Fig. 3 Heat analysis model

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と, 磁場解析等で求めたモータ内各部の発熱量から算

出する. コイルエンドや鉄心のように部材間の接触熱

抵抗の影響で方向によって熱伝導率に大きな差が生じ

る部分は, 温度計測結果からだけでは正確な熱抵抗を

求めることが困難なので, 別途部分サンプルを用いた

評価を行い方向ごとの熱伝導率を求める. なお, 発熱量

と温度分布から熱抵抗を算出する方法は従来の多くの

文献3)4) に記載されている． ATF 冷却の効果に関しては,

ステータ～ケース間隙間への ATF 充填（a）とコイル

エンドへの ATF 供給（b）の効果をそれぞれ模擬する

評価を行い, ATF 冷却を行った場合の熱抵抗を算出し

熱解析モデルへ織り込む．

　以上のように作成した熱抵抗モデルを用いて ATF

を用いた冷却による効果を明らかにする．

４．評価と考察

　4.1　モータ内多点温度計測

　モーター内部の温度計測は, 内部に多数の熱電対を

埋め込んだ評価用モータを用いて行う. 評価用モータ

（Fig. 4）には実車搭載時と同様に ATF が封入されて

おり, ステータ下部はモータ内に溜まった ATF に漬

かった状態となっている. 水冷ジャケットはケース外

周の一部に設けられており, それ以外の面からは空気

に放熱する. 評価は ATF を利用した冷却の効果を分離

するため ATF による冷却を止めた状態で行う．

　周方向の温度分布評価結果を Fig. 5 に示す. 周方向

の温度分布を見ると水冷ジャケット設置位置（計測点

A，B）の温度が低く, ステータ温度は水冷ジャケット

位置の影響を受けることが分かる. また, 計測点 E は

ATF に漬かっているためコイルエンド表面の温度が低

い．

　半径方向の温度分布評価結果（Fig. 6）を見てみると，

特にステータ鉄心の外周とケース内壁間の温度差が

大きく, この部分が発熱部からケースへの伝熱を阻害

していることが分かる. 評価に用いたモータはステー

タ鉄心の端部でケースに接合されており, 鉄心外周と

ケース内壁には隙間がある. この隙間が伝熱を阻害し

ているものと考えられる. 隙間が空気層となっている

部分（G 断面）に比べ ATF で満たされている部分（E

断面）は温度差が少なく ATF を隙間に充填すること

による熱抵抗低減効果が現れている．

Fig. 4 Motor for evaluation to measure temperature distribution

: Temperature measurement point

Cooling water Stator

Coil end

ATFA

AA

H

G

F

ED

C

B

Case

Coil endATF

Water jacket

Cross section A-A

Water jacket Soak in ATF

Coil end (Center)

Coil end (Surface)

Stator (Iron-core)Case (Inside)

Tem

pera

ture

Cooling water

A B C D E F G H

Measurement point(Direction of circumference)

Fig. 5 The distribution of the temperature (Circumferential direction)

G E

: Temperature measurement point

Stator (Iron-core)

Coil Case

Air ATF

Tem

pera

ture

Tem

pera

ture

Coolingwater

Distance from teeth top Distance from teeth top

Fig. 6 The distribution of the temperature (Radial direction)

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　4.2　部分サンプルによる熱伝導率評価

　コイルエンドはステータ鉄心部のスロット内に挿入

した銅線を別のスリットに挿入するために折り返した

部分である. この部分は銅損によって発熱し, かつ放熱

部位であるケースまでの伝熱経路が長いため温度が

上がりやすい. そのためコイルエンドの温度によって

モータの最大出力が制限される場合が多い. 軸方向の

伝熱は銅線に沿って行われるため熱抵抗が小さくなる

が, 周方向へは U, V, W 各相の銅線の接触部で電気を

絶縁するエナメル皮膜を通して伝熱する必要があるた

め熱抵抗が大きくなる. そのため軸方向と周方向で熱

伝導率に大きな異方性がある．

　そこで, コイルエンド部分を切り出した部分サンプ

ルを用いてそれらを分離して求める評価を行った. 評

価方法を Fig. 7 に示す. 周方向の熱伝導率計測はコイ

ルエンドの 1/4 を切り取ったサンプルを用い片側の端

部にヒータ, 反対側に冷却器を設けることで周方向に

沿った熱流れをつくり, 各測定点の温度差と伝熱距離お

よびヒータの発熱量から求める. 軸方向はコイルエン

ド全周を用いヒータと冷却器で挟んで同様に評価を行

う. 評価結果の定常状態になったときの温度差から以

下の式で各方向への熱伝導率を求める．

λ ＝（L・Q）/（A・ΔT）

λ：熱伝導率（W/m・K）

L: 伝熱距離（m）

Q : 熱量（W）

A : 断面積（m2）

ΔT : 計測点間の温度差（K）

　ステータ鉄心についても, 電磁鋼板を積層して構成

しているため, 鋼板間の接触部を通じて熱が伝わる軸

方向と鋼板内を熱が伝わる周方向で熱伝導率に異方性

がある. そこで, コイルエンドの場合と同様に評価し軸

方向と周方向の熱伝導率を求める．

　以上の評価結果から, コイルエンドとステータ鉄心

の熱伝導率には次のような異方性があることが確かめ

られた（数値は熱伝導率の比を表す）.

　コイルエンド　　周方向：軸方向　≒　1：10

　鉄心　　　　　　径方向：軸方向　≒　3：１

　4.3　ステータ～ケース間への ATF 充填効果

　Fig. 4 で示した評価用モータを用い, ステータ～ケー

ス間の隙間に ATF を流すことによる効果を評価した．

Fig. 8 に供給する ATF の流量と G 断面におけるケー

スとステータ鉄心の温度を示す. ATF を流すことにこ

とにより鉄心～ケース間の熱抵抗が低減する. このと

きの隙間の様子について別途透明ケースを用いたオイ

ル流れ可視化モータ（Fig. 9　図中オイル流れの太い

矢印がキャッチタンクからコイルエンド表面へのオイ

ル流れ, 細い矢印が鉄心～ケース隙間へオイルを充填

する流れを示す）を用いて観察し, 隙間への ATF 充填

状態と流量の関係を求めた. その結果, 鉄心～ケース間

隙間に ATF で充填できる流量を供給すれば温度低減

効果が得られ, それ以上流量を増しても効果に差が無

いことが分かった. このことから冷却性能向上効果は

Q

Circumferential direction Axial direction

HeaterHeat transfer length

Temperaturemesurement point

Heat transfer length

Thermalinsulation

Heater Cooler

Coil end

Cooler

Sectional area

ACoil end(1/4 cut)

Fig. 7 Evaluation method

G

ATF flow

Coolingwater

Tem

pera

ture

: Temperature measurement point

Gap

CaseATF is filed betweenthe stator and the case

(Result of making visible)

Coil

Stator (Iron-core)

Fig. 8 The effect by ATF filling between the stator and the case

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ATF 流れが熱を運び去るのではなく， 空気層が ATF に

入れ替わることによって隙間部分の熱伝導率が向上す

るためであることが分かる．

　4.4　コイルエンドへの ATF 供給による効果

　コイルエンドへ ATF を供給することによる効果を

明確化するため専用のベンチを製作して評価を行った.

ベンチ構成を Fig. 10 に示す. ステータをステーに固定

し通電することで発熱させる. ATF 供給は２ヶ所から

行い, その角度を振って評価を行う．

　コイルエンド内の温度計測点８点の平均温度 Tcm

と ATF の入口, 出口の平均温度 Tom から次式でコイ

ルエンド～ ATF 間の熱抵抗を求める．

R ＝（Tcm – Tom）/Q

　

R : 熱抵抗（K/W）

Tcm : コイルエイド平均温度（K）

Tom : ATF の平均温度（K）

Q : 発熱量（W）

　熱抵抗の評価結果を Fig. 11 に示す. ATF の供給角度

には熱抵抗が最も小さくなる最適角度があることが分

かる. この理由について説明する. 供給角度による ATF

の流れ方の違いを観察し模式的に表したものを Fig. 12

に示す. 供給角度が少なすぎると中央部に供給したオ

イルが左右にうまく回らず ATF が覆わない領域が左

右にできる. 逆に角度を広げすぎると中央部に ATF が

供給されず, 上下に ATF が覆わない領域ができる. した

がって, この中間に ATF がうまく流れる角度が存在し,

その角度において熱抵抗が最も小さくなる．

　流量を振った場合について見ると, 流量を増すこと

で熱抵抗低減効果は増加する傾向にあるが, その増加

効果は流量が増すほど小さくなる. この結果から, 目標

とする熱抵抗が得られる最小の流量を求めることがで

きる. Fig. 2 に示す冷却構造にこの知見を当てはめると,

オイルキャッチタンクからの連通口の径を, 実車走行

状態で最小流量以上の流量が得られるように選定して

おけば, 必要な低減効果が得られることになる．

　4.1 節で作成したモータ内全体の熱抵抗モデルと 4.2

節～ 4.4 節で求めた各部の熱抵抗評価結果を統合して

ATF 冷却の効果を織り込んだ熱解析モデルを確立した.

以下, 作成したモデルを用いて ATF 冷却の効果につい

て解析する．

Stator

Stay

ATF

ATF tempATF

ATF supply angle

Coil end temp

Coil end

ATF temp

Power supply

In

In

Out

Out

Fig. 10 The bench used to evaluate the ATF supply effect

: Range which ATF does not cover

Small angle Large angle

ATF ATF

ATF supplyangle

Coil end

Fig. 12 Diagram of ATF flow

1

×2

×4Hea

t res

ista

nce

(Bet

wee

n co

il en

d an

d oi

l) ATF flow

LargeATF supply angleSmall

Fig. 11 Heat resistance (Between coil end and ATF)

Transparent case

Oil flow

Space between the stator and the caseOil inlet

Fig. 9 Motor for evaluation to see ATF flow

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デンソーテクニカルレビュー　Vol. 13　No. １　2008

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＜参考文献＞

1) 畑 祐志ほか： “FF SUV 用新ハイブリッドトラン

スミッションの開発”, トヨタテクニカルレビュー,

Vol. 54, No. 1（2005）, p. 36.

2) 相 原 浩 : � 新 型 SUV-HEV 用 モ ー タ の 開 発 ”,

TECHNO-FRONTIERSYMPOSIUM 2005 モータ技術

シンポジウムテキスト, C1-2-1 – C-1-2-10（2005）.

3) 高橋 研二ほか :“誘導電動機の接触熱抵抗と冷却

性能”, 日本伝熱シンポジウム講演論文集, Vol. 35

（1998）, p. 39. など多数　

4) 岩井 裕ほか : エクセルとマウスでできる熱流体のシ

ミュレーション, 丸善株式会社（2005）. など多数

　4.5　ATF 冷却の効果試算

　モータ内の熱流れの様子を試算した結果を Fig. 13

に示す. ここでは Fig. 3 の熱抵抗モデルを元に, コイル

エンド・鉄心等をひとつのかたまりとし, コイルエン

ドから冷却水・空気へ熱が流れる１次元モデルで表し

ている. ATF をステータ鉄心間に充填することでその

部分の熱抵抗が 20％減少する. 更に, コイルエンドに

ATF を供給することで発熱量の３割を伝える新たな熱

流れルートが形成されていることが分かる. これらの

効果でコイルエンド～ケース間の熱抵抗が半減するこ

とという結果が得られた．

　Fig. 14 に実際のモータを用いた評価結果を示す.

ATF を利用した冷却を用いる場合と用いない場合につ

いてコイルエンド温度と冷却水温度を計測し, 磁場解

析等で求めたモータ発熱量との関係から熱抵抗を算出

した．この結果から, 実機においても３割の熱抵抗低

減効果を確かめることができた．

５．結言

　HEV 用モータの高出力化に伴う発熱量増加に対応す

るための ATF を用いたモータ冷却構造について, モー

タ内多点温度計測と各部の部分サンプル評価および

ATF を用いた冷却による熱抵抗への影響を明確化す

る評価試験結果から, ATF による冷却効果を織り込ん

だモータ内熱解析モデルを確立した. このモデルを用

いて解析を行った結果, ステータ鉄心～ケース間への

ATF 充填による熱抵抗低減と, コイルエンドへ供給し

た ATF による冷却効果でコイルエンド～ケース間の

熱抵抗が半減することを明らかとし, ATF を利用した

冷却構造の有効性を実証することができた．

1

Coil end

Stator (Coil)

Stator (Iron-core)

Case

Coolingwater

Air

Coil end

Stator (Coil)

Stator (Iron-core)

Case

Coolingwater

Air

Not using Using

Heat ratio

ATF

0.33

Heat flowby ATF

Cooling system to use ATF

20%

53%

Decrease ratioof heat resistance

0.67

Cooling system to use ATF

Not using Using

30%

Hea

t res

ista

nce

betw

een

coil

end

and

cool

ing

wat

er

Fig. 13 Result of the trial calculation (Heat flow, Heart resistance between stator and case)

Fig. 14 Result of the trial calculation (Heat resistance between coil end and cooling water)

特　　集

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＜著　者＞

鬼丸　貞久

（おにまる　さだひさ）

（株）日本自動車部品総合研究所

研究２部

HV 機器関連の熱解析, 冷却技術

開発に従事

田口　知成

（たぐち　ともなり）

トヨタ自動車（株）

第１車両性能開発部

HV 車両冷却系開発に従事

市岡　英二

（いちおか　えいじ）

トヨタ自動車（株）

第３ドライブトレーン技術部

HV ト ラ ン ス ア ク ス ル の 開 発 に

従事

松井　啓仁

（まつい　ひろひと）

（株）日本自動車部品総合研究所

研究２部

HV 機器関連の熱解析 , 冷却技術

開発に従事

大高　健二

（おだか　けんじ）

トヨタ自動車（株）　

第３ドライブトレーン技術部

HV ト ラ ン ス ア ク ス ル の 開 発 に

従事

水谷　竜彦

（みずたに　たつひこ）

トヨタ自動車（株）

HV ユニット開発部

HV 用モータの開発に従事